備受青睞的燃料電池

　　摘要： 本文介紹了燃料電池的工作原理，并與常規(guī)電池、熱機(jī)等進(jìn)行比較。扼要說明燃料電池的發(fā)展歷史、燃料電池的類型，以及應(yīng)用領(lǐng)域和我國燃料電池技術(shù)的發(fā)展。
　　關(guān)鍵詞： 燃料電池 類型 應(yīng)用
　　世界需要一種低污染物質(zhì)排放、高能量效率的電源，并且面對(duì)日益增長的世界人口，需要提供源源不斷的燃料。燃料電池（fuel cell）被認(rèn)為是能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的、有前途的技術(shù)之一，因而備受青睞。
　　1.什么是燃料電池
　　燃料電池是一種電化學(xué)設(shè)備，它直接、高效地將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能。一般而言，對(duì)發(fā)電來說，燃料電池只是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。燃料電池的基本物理結(jié)構(gòu)由一個(gè)電解質(zhì)層組成，它的一邊與一個(gè)多孔滲透的陽極相連，另一邊與一個(gè)多孔滲透的陰極相連，氣態(tài)燃料連續(xù)不斷地輸入陽極（負(fù)電極），同時(shí)氧化劑連續(xù)不斷地輸入陰極（正電極），在兩個(gè)電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流。
　　1.1與常規(guī)電池的比較
　　常規(guī)電池可用的最大電能取決于保存在電池自身中的化學(xué)反應(yīng)物的數(shù)量，它將燃料和氧化劑反應(yīng)物置于其自身內(nèi)部（隨電池儲(chǔ)存）。在可再生電池中，通過再充電再生反應(yīng)物，這涉及從外部電源將電能輸入電池。常規(guī)電池的壽命是有限的，其原因是：當(dāng)儲(chǔ)存在電池中的化學(xué)反應(yīng)物用完后，電池就停止發(fā)電。此外，在不使用時(shí)，電池也在發(fā)生非常緩慢的電化學(xué)反應(yīng)，這也限制了電池的壽命。在反應(yīng)過程中，也用到電池的電極，因此電池的壽命在一定程度上取決于電極的壽命。燃料電池它的燃料和氧化劑不是貯存在電池內(nèi)，而是貯存在電池外部的貯罐中。只要提供燃料和氧化劑，燃料電池就能供電。理論上，只要持續(xù)不斷地供給燃料和氧化劑，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能。此外，燃料電池不存在任何“泄漏”問題［１］，當(dāng)系統(tǒng)不使用時(shí)，燃料電池的組成部件不會(huì)發(fā)生任何侵蝕現(xiàn)象。
　　1.2與熱機(jī)的比較
　　熱機(jī)與燃料電池二者都使用化學(xué)燃料作為能量來源，熱機(jī)也可將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，但這需要經(jīng)過若干中間步驟，即首先通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后通過熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最后通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。由于能量過程基于熱機(jī)，而熱機(jī)工作于一個(gè)低溫和一個(gè)高溫之間，因此其最大效率受限于卡諾定律。在燃料的利用率上熱機(jī)中的內(nèi)燃機(jī)只有18％的效率而對(duì)于燃料電池這個(gè)效率可高達(dá)80％［２］。
　　2.燃料電池的歷史
　　1826年歐姆定律發(fā)表后，大約在距今160年前的1839年，英國格羅夫（William Grove）發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)燃料電池的研究報(bào)告。整個(gè)19世紀(jì)，對(duì)各種各樣的燃料電池理論進(jìn)行了研究；在20世紀(jì)，對(duì)這些概念的實(shí)用性進(jìn)行了研究。1960年通用電氣公司開發(fā)成功質(zhì)子交換膜燃料電池，1962年質(zhì)子交換膜a9c7ba95e0d2f9ec74862d8d70db961ce3c8e72418b1607b5029b0a8fb9b58d6燃料電池應(yīng)用于雙子星座飛船，1965年堿性燃料電池用于阿波羅飛船，1967年通用汽車開發(fā)成功第一輛堿性燃料電池電動(dòng)汽車Electrovan，1988年第一艘AFC燃料電池潛艇在德國出現(xiàn)，1991年日本千葉縣的11MW磷酸燃料電池試驗(yàn)電廠達(dá)到設(shè)計(jì)功率，國際上已形成了燃料電池的開發(fā)熱。
　　3.燃料電池的類型
　　燃料電池的分類有多種方法，有按電池工作溫度高低分類、有按燃料的種類分類，也有按電池的工作方式來分類的。普通接受的是按照電解質(zhì)的不同分作五類：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料電池（Phosphorous Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell或Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC）和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。如表1所示。
　　4.燃料電池的應(yīng)用
　　作為一種清潔、高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，燃料電池已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域及軍事領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用?，F(xiàn)在世界各國正在加速其在民用領(lǐng)域的商業(yè)開發(fā)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，燃料電池在電源、電力驅(qū)動(dòng)、發(fā)電等領(lǐng)域內(nèi)都有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已應(yīng)用于便攜式電源、燃料電池電動(dòng)車、燃料電池電站和燃料電池艦艇與飛機(jī)等領(lǐng)域。
　　4.1便攜式電源
　　使用便攜式燃料電池的最大好處是，是一種緊湊、輕型、高效、持久的便攜式電源，可以延長設(shè)備工作的時(shí)間而無需再充電。大多數(shù)用做二次電源的普通電池都帶有充電器系統(tǒng)，它們由交流充電器組成，為了充電，必須插入電源插座中或者由直流充電器組成，它們將依靠其他普通電池進(jìn)行再充電。這些解決方案對(duì)許多軍事和未來便攜式電子設(shè)備而言是不可行的，原因是它們太重、不實(shí)用，無法滿足當(dāng)前電源需求。便攜式燃料電池可用于移動(dòng)電話、筆記本電腦、攝像機(jī)、軍事裝備等。
　　4.2燃料電池電動(dòng)車
　　目前世界各大汽車制造商都先后投入巨資開發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車，1993年世界上第一輛燃料電池公共汽車在加拿大的巴拉德電力系統(tǒng)公司（Ballard Power System）誕生。該車為120kW PEMFC電池組，使用壓縮氫氣作燃料，行駛速度95km/h，行程可達(dá)400km;通用汽車公司和戴姆勒—克萊斯勒汽車公司、日本豐田、本田等公司都相繼展出、示范了他們開發(fā)的燃料電池汽車，如通用的HydroGen3、戴姆勒—克萊斯勒的F-Cell、豐田的FCHV4、本田的FCXV3等。美國通用汽車公司（GM）的燃料電池小轎車在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上為馬拉松長跑選手開道；2002年5月戴姆勒—克萊斯勒公司的甲醇重整制氫小轎車從美國西海岸舊金山出發(fā)，橫穿美國大陸，到達(dá)首都華盛頓，行程5000多公里，歷時(shí)16天，最高時(shí)速達(dá)160km，平均時(shí)速達(dá)60km。
　　4.3燃料電池電站
　　在全世界范圍內(nèi)，固定電站是燃料電池嘗試和測(cè)試最多的應(yīng)用方式。燃料電池大型電站的研究開發(fā)已有30多年的歷史了。目前，全世界共有200多臺(tái)200kW的各種類型的燃料電池電站在運(yùn)行，千瓦級(jí)家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供小電站也已經(jīng)試制成功。燃料電池作為發(fā)電技術(shù)比傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)有著效率高和污染少的優(yōu)點(diǎn)，但目前缺點(diǎn)是成本過高。
　　4.4燃料電池艦艇與飛機(jī)
　　2003年4月7日，世界上第一艘質(zhì)子交換膜燃料電池潛艇在德國基爾港下水，德國著名造船企業(yè)霍瓦茲造船公司建造的這艘212A型潛艇被命名為U31，這艘潛艇被譽(yù)為世界上最先進(jìn)的常規(guī)動(dòng)力潛艇。美國、俄羅斯、法國、瑞典等國也在積極研制燃料電池潛艇。美國Aerovironment公司一直在開發(fā)高空太陽能和電能飛機(jī)，該公司與NASA一起開發(fā)了燃料電池/太陽能飛機(jī)“太陽神”。以色列也在開發(fā)燃料電池驅(qū)動(dòng)的無人駕駛飛行器，德國空中客車公司正在進(jìn)行氫作燃料的客機(jī)研究。
　　5.我國燃料電池技術(shù)的發(fā)展
　　我國從“九五”計(jì)劃開始，已經(jīng)列有燃料電池科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目，以后又有多項(xiàng)“863”、“973”和科技專項(xiàng)支持，已累計(jì)投入30多億元。中科院大連化學(xué)物理研究所對(duì)PEMFC進(jìn)行了詳盡的研究并開發(fā)出多種功率等級(jí)的PEMFC。大連化學(xué)物理研究所研發(fā)的單電池性能已達(dá)到日本20世紀(jì)80年代中期水平，正準(zhǔn)備開展百萬級(jí)MCFC裝置的研制；上海交通大學(xué)率先在國內(nèi)成功進(jìn)行1-115kW的MCFC發(fā)電實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目目前已通過成果鑒定；上海汽車工業(yè)（集團(tuán)）總公司2006年成功試制了一輛自主品牌燃料電池客車；在2008年北京奧運(yùn)會(huì)上我國成功組織和進(jìn)行了23輛燃料電池汽車的示范，2010年上海世博會(huì)則投入近200輛燃料電池車輛作為觀光和服務(wù)用車；清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院在2004年世界氫能論壇上展示了5kW質(zhì)子交換膜燃料電池電站；2008年北京科技大學(xué)與清華大學(xué)、北京富原公司、漢能科技有限公司聯(lián)合攻關(guān)研制了10kW分布式燃料電池電站。歐美和日本在燃料電池的研制和應(yīng)用上處于世界領(lǐng)先地位，我國在燃料電池領(lǐng)域正加緊步伐縮短和國外的差距，逐漸呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。
　　參考文獻(xiàn)：
　?。?］［美］Colleen S.Spiegel著.馬欣，王勝開等譯.燃料電池設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.
　?。?］紀(jì)秀磊.說說燃料電池（上）［J］.中學(xué)生數(shù)理化：八年級(jí)物理（人教版），2011（11）：39.
　?。?］黎永祥，姚丹丹.新型化學(xué)電源-燃料電池［J］.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（4）：32.
　?。?］張文毓.燃料電池的開發(fā)與應(yīng)用［J］.船舶物資與市場，2012（1）：32.
　　［5］［美］Colleen S.Spiegel著.馬欣，王勝開等譯.燃料電池設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：電子工業(yè)出版社，200